C++培訓(xùn)之Linux系統(tǒng)動(dòng)態(tài)庫(kù)加載過(guò)程分析

更新時(shí)間:2015年12月28日16時(shí)40分來(lái)源:傳智播客C/C++學(xué)科瀏覽次數(shù):

在Linux系統(tǒng)開發(fā)中，我們頻繁的使用動(dòng)態(tài)庫(kù)（又稱共享庫(kù)），它相較于靜態(tài)庫(kù)而言有節(jié)省空間、便于更新等優(yōu)點(diǎn)。但同時(shí)，動(dòng)態(tài)庫(kù)也有其缺點(diǎn)，加載速度相較于靜態(tài)庫(kù)而言較慢。那么，為什么調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)內(nèi)的函數(shù)要比調(diào)用靜態(tài)庫(kù)內(nèi)函數(shù)速度慢呢？它的加載過(guò)程具體又是怎樣的呢？我們可借助gdb調(diào)試工具和反匯編工具objdump來(lái)找尋原因。

首先準(zhǔn)備簡(jiǎn)單的動(dòng)態(tài)庫(kù)測(cè)試函數(shù)：

準(zhǔn)備測(cè)試程序：

借助gcc工具生成動(dòng)態(tài)庫(kù)，鏈接動(dòng)態(tài)庫(kù)，編譯生成可執(zhí)行文件，并幫助動(dòng)態(tài)鏈接器指定動(dòng)態(tài)庫(kù)加載位置。

gcc -c -fPIC add.c sub.c mul.c
gcc -shared -o libmymath.so add.o sub.o mul.o
gcc main.c -o app -L ./ -l mymath -I ./
export LD_LIBRARY_PATH=./

接下來(lái)，我們來(lái)研究下，在 main.c 中調(diào)用共享庫(kù)的函數(shù) add是如何實(shí)現(xiàn)的。首先反匯編看一下動(dòng)態(tài)庫(kù)libmymath.so，方便后期數(shù)據(jù)比對(duì)。(由于數(shù)據(jù)較多，這里只保留了與后期分析相關(guān)聯(lián)的部分，同時(shí)為了方便觀察地址，我們以32位系統(tǒng)為例。)

$ objdump libmymath.so -dS

...

00000538 <add>:

 538:    55                        push   %ebp

 539:    89 e5                     mov    %esp,%ebp

 53b:    8b 45 0c                  mov    0xc(%ebp),%eax

 53e:    8b 55 08                  mov    0x8(%ebp),%edx

 541:    01 d0                     add    %edx,%eax

 543:    5d                        pop    %ebp

 544:    c3                        ret

Disassembly of section .fini:

...

然后我們反匯編一下可執(zhí)行文件app的指令：

$ objdump -dS app

...

Disassembly of section .plt:

08048460 <add@plt-0x10>:

 8048460:        ff 35 04 a0 04 08         pushl  0x804a004

 8048466:        ff 25 08 a0 04 08         jmp    *0x804a008

 804846c:        00 00                     add    %al,(%eax)

...

08048470 <add@plt>:

 8048470:        ff 25 0c a0 04 08         jmp    *0x804a00c

 8048476:        68 00 00 00 00            push   $0x0

 804847b:        e9 e0 ff ff ff            jmp    8048460 <_init+0x2c>

...

080485cd <main>:

int main(void)

 80485cd:        55                        push   %ebp

 80485ce:        89 e5                     mov    %esp,%ebp

 80485d0:        83 e4 f0                  and    $0xfffffff0,%esp

 80485d3:        83 ec 20                  sub    $0x20,%esp

    int a = 5;

 80485d6:        c7 44 24 18 05 00 00      movl   $0x5,0x18(%esp)

 80485dd:        00

    int b = 9;

 80485de:        c7 44 24 1c 09 00 00      movl   $0x9,0x1c(%esp)

 80485e5:        00

    printf("%d + %d = %d\n", a, b, add(a, b));

 80485e6:        8b 44 24 1c               mov    0x1c(%esp),%eax

 80485ea:        89 44 24 04               mov    %eax,0x4(%esp)

 80485ee:        8b 44 24 18               mov    0x18(%esp),%eax

 80485f2:        89 04 24                  mov    %eax,(%esp)

 80485f5:        e8 76 fe ff ff            call   8048470 <add@plt>

...

從上述反匯編結(jié)果來(lái)看add 函數(shù)并沒有直接鏈接到可執(zhí)行文件中。而且 call 8048470 <add@plt>這條指令調(diào)用的也不是 add 函數(shù)的地址。共享庫(kù)是位置無(wú)關(guān)代碼，在運(yùn)行時(shí)可以加載到任意地址，其加載地址只有在動(dòng)態(tài)鏈接時(shí)才能確定，所以在 main 函數(shù)中不可能直接通過(guò)絕對(duì)地址調(diào)用add函數(shù)，而是通過(guò)間接尋址來(lái)找 add 函數(shù)的。
對(duì)照上面的指令，我們使用 gdb 跟蹤一下：

$ gdb app

...

(gdb) start

Temporary breakpoint 1 at 0x80485d6: file main.c, line 6.

Starting program: /home/itcast/lib/app

Temporary breakpoint 1, main () at main.c:6

6            int a = 5;

(gdb) si

7            int b = 9;

(gdb) si

9            printf("%d + %d = %d\n", a, b, add(a, b));

(gdb) si

0x080485ea       9            printf("%d + %d = %d\n", a, b, add(a, b));

(gdb) si

0x080485ee       9            printf("%d + %d = %d\n", a, b, add(a, b));

(gdb) si

0x080485f2       9            printf("%d + %d = %d\n", a, b, add(a, b));

(gdb) si

0x080485f5       9            printf("%d + %d = %d\n", a, b, add(a, b));

(gdb) si

0x08048470 in add@plt ()

跳轉(zhuǎn)到 .plt 段中，現(xiàn)在將要執(zhí)行一條 jmp *0x804a00c指令，我們看看0x804a00c這個(gè)地址里存的是什么：

(gdb) x 0x804a00c

0x804a00c <add@got.plt>:  0x08048476

對(duì)應(yīng)app反匯編結(jié)果，我們發(fā)現(xiàn)原來(lái)0x08048476就是其下一條指令push $0x0的地址。好，繼續(xù)跟蹤下去：

(gdb) si

0x08048470 in add@plt ()

(gdb) si

0x08048476 in add@plt ()

(gdb) si

0x0804847b in add@plt ()

(gdb) si

0x08048460 in ?? ()

(gdb) si

0x08048466 in ?? ()

(gdb) si

0xf7ff04f0 in ?? () from /lib/ld-linux.so.2

最終進(jìn)入了動(dòng)態(tài)鏈接器 /lib/ld-linux.so.2 ，在其中完成動(dòng)態(tài)鏈接的過(guò)程并調(diào)用 add 函數(shù)，我們不深入這些細(xì)節(jié)了，直接用 finish 命令返回到 main 函數(shù)：

(gdb) si

0xf7ff04f2 in ?? () from /lib/ld-linux.so.2

(gdb) finish

Run till exit from #0  0xf7ff04f2 in ?? () from /lib/ld-linux.so.2

0x080485fa in main () at main.c:9

9            printf("%d + %d = %d\n", a, b, add(a, b));

這時(shí)，再來(lái)看看0x804a00c這個(gè)地址里保存的是什么：

(gdb) x 0x804a00c

0x804a00c <add@got.plt>:  0xf7fd4538

(gdb) x 0xf7fd4538

0xf7fd4538 <add>: 0x8be58955

我們發(fā)現(xiàn)0x804a00c中不再保存其下一條指令push $0x0的地址，而存入了一個(gè)新的地址，繼續(xù)跟蹤這個(gè)地址找到了add函數(shù)真正被加載到內(nèi)存的位置。其中的0x8be58955正對(duì)應(yīng)文檔開頭反匯編動(dòng)態(tài)庫(kù)所得到的add函數(shù)前三條指令。由于我們所使用的計(jì)算機(jī)采用小端法存儲(chǔ)，所以低位保存在低字節(jié)上。
動(dòng)態(tài)鏈接器已經(jīng)把 add 函數(shù)的地址存在這里了，所以下次再調(diào)用 add 函數(shù)就可以直接從 jmp *0x804a00c 指令直接跳到它首條指令的地址，而不必再進(jìn)入 /lib/ld-linux.so.2 做動(dòng)態(tài)鏈接了。
我們首次查看0x804a00c的時(shí)候，其內(nèi)部并沒有保存add函數(shù)實(shí)際的地址。而當(dāng)函數(shù)被調(diào)用，動(dòng)態(tài)鏈接器加載完成，會(huì)將add真正加載至內(nèi)存的地址填寫到與plt對(duì)應(yīng)的got中。有一種描述這種綁定動(dòng)態(tài)庫(kù)函數(shù)的方式，稱之為“延遲綁定”。正是由于首次調(diào)用的這一延遲，導(dǎo)致調(diào)用動(dòng)態(tài)庫(kù)函數(shù)不像調(diào)用靜態(tài)庫(kù)函數(shù)那樣快捷。

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作者：傳智播客C/C++培訓(xùn)學(xué)院
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